Automated tissue sectioning and two-photon imaging of fluorescently labeled and fixed mouse brains allows high-resolution tomographic imaging of the entire brain. The authors demonstrate performance using multiple GFP mouse lines, dye-based retrograde tracing and viral anterograde tracing. Here we describe an automated method, named serial two-photon (STP) tomography, that achieves high-throughput fluorescence imaging of mouse brains by integrating two-photon microscopy and tissue sectioning. STP tomography generates high-resolution datasets that are free of distortions and can be readily warped in three dimensions, for example, for comparing multiple anatomical tracings. This method opens the door to routine systematic studies of neuroanatomy in mouse models of human brain disorders.

The stereotyped features of neuronal circuits are those most likely to explain the remarkable capacity of the brain to process information and govern behaviors, yet it has not been possible to comprehensively quantify neuronal distributions across animals or genders due to the size and complexity of the mammalian brain. Here we apply our quantitative brain-wide (qBrain) mapping platform to document the stereotyped distributions of mainly inhibitory cell types. We discover an unexpected cortical organizing principle: sensory-motor areas are dominated by output-modulating parvalbumin-positive interneurons, whereas association, including frontal, areas are dominated by input-modulating somatostatin-positive interneurons. Furthermore, we identify local cell type distributions with more cells in the female brain in 10 out of 11 sexually dimorphic subcortical areas, in contrast to the overall larger brains in males. The qBrain resource can be further mined to link stereotyped aspects of neuronal distributions to known and unknown functions of diverse brain regions.

Systematic genetic access to GABAergic cell types will facilitate studying the function and development of inhibitory circuitry. However, single gene-driven recombinase lines mark relatively broad and heterogeneous cell populations. Although intersectional approaches improve precision, it remains unclear whether they can capture cell types defined by multiple features. Here we demonstrate that combinatorial genetic and viral approaches target restricted GABAergic subpopulations and cell types characterized by distinct laminar location, morphology, axonal projection, and electrophysiological properties. Intersectional embryonic transcription factor drivers allow finer fate mapping of progenitor pools that give rise to distinct GABAergic populations, including laminar cohorts. Conversion of progenitor fate restriction signals to constitutive recombinase expression enables viral targeting of cell types based on their lineage and birth time. Properly designed intersection, subtraction, conversion, and multi-color reporters enhance the precision and versatility of drivers and viral vectors. These strategies and tools will facilitate studying GABAergic neurons throughout the mouse brain.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiJkZjI4OWU2NDM0MTgyNTdjM2FlNWI2NDg0Yjc4MWIzZiIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4NjkzMTkxfQ.YHWf2mcmgRyTTnI_1PNmAX3KhrSAPQ2YDevRDt-dBztXAZfNNZFOY044IiBB1JM7HIEIiNppGUbE49aQkK5EGxHhhCh0EORNRPycDdNOvSWMhszjv7KSCynwDqeT4zAGlzqYHVZiqfmqUoJFDZfHgXQHA5sRwUjW5OybCRHaDltgO3egsU3_OSwD_z5cilkrQC9hBwvUO2tH0TlR5OWC5CDqiIzuxvDeVWSqjx8YelmWIkdXfakrkIsk6vEU8rF9uNwcvK50dYthEqyhm59pp0NNNdnrYEffEK4tC036ITPD0XfxGcneaO9uKvlit2jKXFCXtRaupoafVjaQbWS6Ng(mp4, (50.72 MB) Download video

Understanding how brain activation mediates behaviors is a central goal of systems neuroscience. Here, we apply an automated method for mapping brain activation in the mouse in order to probe how sex-specific social behaviors are represented in the male brain. Our method uses the immediate-early-gene c-fos, a marker of neuronal activation, visualized by serial two-photon tomography: the c-fos-GFP+ neurons are computationally detected, their distribution is registered to a reference brain and a brain atlas, and their numbers are analyzed by statistical tests. Our results reveal distinct and shared female and male interaction-evoked patterns of male brain activation representing sex discrimination and social recognition. We also identify brain regions whose degree of activity correlates to specific features of social behaviors and estimate the total numbers and the densities of activated neurons per brain areas. Our study opens the door to automated screening of behavior-evoked brain activation in the mouse.

Fusarium graminearum is an important plant pathogen that causes head blight of major cereal crops. The fungus produces mycotoxins that are harmful to animal and human. In this study, a systematic analysis of 17 phenotypes of the mutants in 657 Fusarium graminearum genes encoding putative transcription factors (TFs) resulted in a database of over 11,000 phenotypes (phenome). This database provides comprehensive insights into how this cereal pathogen of global significance regulates traits important for growth, development, stress response, pathogenesis, and toxin production and how transcriptional regulations of these traits are interconnected. In-depth analysis of TFs involved in sexual development revealed that mutations causing defects in perithecia development frequently affect multiple other phenotypes, and the TFs associated with sexual development tend to be highly conserved in the fungal kingdom. Besides providing many new insights into understanding the function of F. graminearum TFs, this mutant library and phenome will be a valuable resource for characterizing the gene expression network in this fungus and serve as a reference for studying how different fungi have evolved to control various cellular processes at the transcriptional level.

Abstract An essential step toward understanding brain function is to establish a cellular-resolution structural framework upon which multi-scale and multi-modal information spanning molecules, cells, circuits and systems can be integrated and interpreted. Here, through a collaborative effort from the Brain Initiative Cell Census Network (BICCN), we derive a comprehensive cell type-based description of one brain structure - the primary motor cortex upper limb area (MOp-ul) of the mouse. Applying state-of-the-art labeling, imaging, computational, and neuroinformatics tools, we delineated the MOp-ul within the Mouse Brain 3D Common Coordinate Framework (CCF). We defined over two dozen MOp-ul projection neuron (PN) types by their anterograde targets; the spatial distribution of their somata defines 11 cortical sublayers, a significant refinement of the classic notion of cortical laminar organization. We further combine multiple complementary tracing methods (classic tract tracing, cell type-based anterograde, retrograde, and transsynaptic viral tracing, high-throughput BARseq, and complete single cell reconstruction) to systematically chart cell type-based MOp input-output streams. As PNs link distant brain regions at synapses as well as host cellular gene expression, our construction of a PN type resolution MOp-ul wiring diagram will facilitate an integrated analysis of motor control circuitry across the molecular, cellular, and systems levels. This work further provides a roadmap towards a cellular resolution description of mammalian brain architecture.

Abstract Characterizing cellular diversity at different levels of biological organization across data modalities is a prerequisite to understanding the function of cell types in the brain. Classification of neurons is also required to manipulate cell types in controlled ways, and to understand their variation and vulnerability in brain disorders. The BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) is an integrated network of data generating centers, data archives and data standards developers, with the goal of systematic multimodal brain cell type profiling and characterization. Emphasis of the BICCN is on the whole mouse brain and demonstration of prototypes for human and non-human primate (NHP) brains. Here, we provide a guide to the cellular and spatial approaches employed, and to accessing and using the BICCN data and its extensive resources, including the BRAIN Cell Data Center (BCDC) which serves to manage and integrate data across the ecosystem. We illustrate the power of the BICCN data ecosystem through vignettes highlighting several BICCN analysis and visualization tools. Finally, we present emerging standards that have been developed or adopted by the BICCN toward FAIR (Wilkinson et al. 2016a) neuroscience. The combined BICCN ecosystem provides a comprehensive resource for the exploration and analysis of cell types in the brain.

Abstract Oxytocin (OT) neurons regulate diverse physiological responses via direct connections with different neural circuits. However, the lack of comprehensive input-output wiring diagrams of OT neurons and their quantitative relationship with OT receptor (OTR) expression presents challenges to understanding circuit specific OT functions. Here, we establish a whole-brain distribution and anatomical connectivity map of OT neurons, and their relationship with OTR expression using cell type specific viral tools and high-resolution 3D mapping methods. We utilize a flatmap to describe OT neuronal expression in four hypothalamic domains including under-characterized OT neurons in the tuberal nucleus. OT neurons in the paraventricular hypothalamus (PVH) broadly project to nine functional circuits that control cognition, brain state, and somatic visceral response. In contrast, OT neurons in the supraoptic (SO) and accessory nuclei have limited central projection to a small subset of the nine circuits. Surprisingly, quantitative comparison between OT output and OTR expression showed no significant correlation across the whole brain, suggesting abundant indirect OT signaling in OTR expressing areas. Unlike output, OT neurons in both the PVH and SO receive similar mono-synaptic inputs from a subset of the nine circuits mainly in the thalamic, hypothalamic, and cerebral nuclei areas. Our results suggest that PVH-OT neurons serve as a central modulator to integrate external and internal information via largely reciprocal connection with the nine circuits while the SO-OT neurons act mainly as unidirectional OT hormonal output. In summary, our OT wiring diagram provides anatomical insights about distinct behavioral functions of OT signaling in the brain. Significance Statement Oxytocin (OT) neurons regulate diverse physiological functions from pro-social behavior to pain sensation via central projection in the brain. Thus, understanding detailed anatomical connectivity of OT neurons can provide insight on circuit specific roles of OT signaling in regulating different physiological functions. Here, we utilize high resolution mapping methods to describe the 3D distribution, mono-synaptic input and long-range output of OT neurons, and their relationship with OT receptor (OTR) expression across the entire mouse brain. We found OT connections with nine functional circuits controlling cognition, brain state, and somatic visceral response. Furthermore, we identified a quantitatively unmatched OT-OTR relationship, suggesting broad indirect OT signaling. Together, our comprehensive OT wiring diagram advances our understanding of circuit specific roles of OT neurons.

Summary Cerebrovasculature and its mural cells must meet dynamic energy demands of different neuronal cell types across the brain, but their spatial relationship is largely unknown. Here, we apply brain-wide mapping methods to create a comprehensive cellular-resolution resource comprising the distribution of and quantitative relationship between cerebrovasculature, pericytes, and glutamatergic and GABAergic neurons, including neuronal nitric oxide synthase-positive (nNOS+) neurons and their subtypes, as well as simulation-ready vascular tracing data in mice. We discover strikingly high densities of vasculature and pericytes with high blood perfusion in primary motor-sensory cortices compared to association cortices that show significant positive and negative correlation with parvalbumin+ and nNOS+ neurons, respectively. Thalamo-striatal areas linked to primary motor-sensory cortices also contain high densities of vasculature and pericytes compared to association areas. Collectively, our results unveil a finely tuned spatial relationship between cerebrovascular network and neuronal cell composition in meeting regional energy needs of the brain.

Aging is the largest risk factor for neurodegenerative disorders, and commonly associated with compromised cerebrovasculature and pericytes. However, we do not know how normal aging differentially impacts the vascular structure and function in different brain areas. Here we utilize mesoscale microscopy methods (serial two-photon tomography and light sheet microscopy) and in vivo imaging (wide field optical spectroscopy and two-photon imaging) to determine detailed changes in aged cerebrovascular networks. Whole-brain vascular tracing showed an overall ~10% decrease in vascular length and branching density, and light sheet imaging with 3D immunolabeling revealed increased arteriole tortuosity in aged brains. Vasculature and pericyte densities showed significant reductions in the deep cortical layers, hippocampal network, and basal forebrain areas. Moreover, in vivo imaging in awake mice identified delays in neurovascular coupling and disrupted blood oxygenation. Collectively, we uncover regional vulnerabilities of cerebrovascular network and physiological changes that can mediate cognitive decline in normal aging.